2019年6月17日長寧MS6.0地震前后地殼振動異常分析

于晨 王淑艷2 陳界宏3 楊志高 李美 余懷忠14

1)中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045 2)中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院,北京 100041 3)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),武漢 430074 4)新疆維吾爾自治區(qū)地震局,烏魯木齊 830011

0 引言

早在20世紀(jì)70年代,我國已開始進(jìn)行地震預(yù)測研究,隨著國際上膨脹-擴(kuò)散模式(Nur,1972)、膨脹-失穩(wěn)模式等物理機(jī)制的發(fā)現(xiàn)(Scholz et al，1973)，有效地解釋了一些和地震有關(guān)的前兆現(xiàn)象,地震學(xué)家相繼提出巖石擴(kuò)容-斷層蠕動(dilatancy-creep)模式(牛志仁,1978)、應(yīng)力積累單元和應(yīng)力調(diào)整單元組成的孕震模式(郭增建等,1979)、堅(jiān)固體或硬包體模式(梅世蓉等,1989a、1989b)等。基于地震是斷層快速錯動結(jié)果的認(rèn)識,地震學(xué)者提出了一系列預(yù)測方法和模型,如利用地震剪切波分裂監(jiān)測地殼應(yīng)力變化以預(yù)報(bào)地震的時間和震級的“應(yīng)力預(yù)報(bào)地震”方法(滕吉文等,2000、2012；華衛(wèi)等,2006)、地震活動性的“臨界加速模型”(楊文政等,1999；陳學(xué)忠等,2013)、“加速矩釋放模型”(蔣長勝等,2009)、“短期叢集模型”(蔣海昆等,2012；蔣長勝等,2013、2015)和 “應(yīng)力觸發(fā)模型”(萬永革等,2002；王瓊等,2016)等。

這些理論模式和物理模式來源于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的巖石力學(xué)和流體流動實(shí)驗(yàn),在地震預(yù)測實(shí)踐中尚難以得到較好的應(yīng)用,不能有效解釋所有地震前觀測到的現(xiàn)象。近幾年來,隨著觀測水平不斷改進(jìn),地震儀可以記錄到更寬頻帶的數(shù)據(jù),這些新的數(shù)字化寬頻帶觀測數(shù)據(jù)有助于研究人員更好地認(rèn)識斷層內(nèi)物理過程及異常演化規(guī)律。目前,中國地震局在川滇地區(qū)布設(shè)了密集的寬頻帶地震儀,可以連續(xù)記錄地面振動信號,對于開展地震監(jiān)測預(yù)報(bào)研究、改進(jìn)防災(zāi)減災(zāi)工作有著重要的意義。研究發(fā)現(xiàn),強(qiáng)震前能夠觀測到長周期信號,信號的產(chǎn)生與斷層活動密切相關(guān)(車用太等,2002；張晁軍等,2005；周龍壽等,2009),慢滑移(慢地震或靜地震)及其伴隨的脈動事件(前驅(qū)波)是可能的原因之一。然而這一研究目前尚未達(dá)成共識,對于事件的產(chǎn)生原因、發(fā)生的位置和頻率的主要成分仍然存在分歧(Seno et al，2003；傅容珊等,2009)。對于單個地震儀臺站,利用記錄的三分量數(shù)據(jù),可以對連續(xù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行偏振分析,通過對比3個分量之間相位的關(guān)聯(lián)性,就可以得出地震背景噪聲的傳播模式,既可在時間域上分析,也可以在頻率域上分析,而且這些不同類型的偏振方法已被用于地脈動分析。

本文分析了2019年6月17日四川長寧MS6.0地震前后的地殼振動現(xiàn)象,對產(chǎn)生這一現(xiàn)象的低頻信號源(8×10-5～2×10-4Hz)進(jìn)行定位,發(fā)現(xiàn)異常持續(xù)時間和主要異常區(qū)域與長寧地震基本一致,認(rèn)為地震前后的低頻地殼振動現(xiàn)象可能對地震預(yù)報(bào)研究具有重要的意義。

1 地殼振動現(xiàn)象

Chen等(2020)的研究結(jié)果顯示,在國內(nèi)外多個強(qiáng)震前,觀測到了地殼振動現(xiàn)象。通過地震儀資料和GPS資料,發(fā)現(xiàn)在震前半個月低頻頻段(8×10-5～2×10-4Hz)發(fā)生增強(qiáng)的現(xiàn)象。我們以2014年景谷MS6.6地震前2個月、距離震中約20km的景谷臺連續(xù)波形資料為例進(jìn)行簡要說明。

如圖1 所示,圖1(a)為景谷MS6.6地震前2個月的連續(xù)波形原始資料,圖1(b)為震前5～10天(紅色)和震前2個月(藍(lán)色)的頻譜,發(fā)現(xiàn)在10-5～10-4Hz的頻帶范圍內(nèi),震前5～10天相比背景值(震前2個月)出現(xiàn)了明顯的振幅增強(qiáng)現(xiàn)象。2019年長寧MS6.0地震的發(fā)生有助于我們對這種現(xiàn)象進(jìn)行檢驗(yàn),認(rèn)知川滇地區(qū)未來的地震危險(xiǎn)性。

2 長寧MS6.0地震及觀測資料

2019年6月17日22時55分43秒,四川省宜賓市長寧縣發(fā)生MS6.0地震(圖2),震中104.9°E、28.34°N,震源深度19km,地震發(fā)生在青藏高原東緣的四川盆地南緣盆山結(jié)合地帶,震中位于長寧-雙河大背斜上,序列發(fā)震構(gòu)造整體呈NE-SW向擠壓為主、兼具一定 NW-SE 向拉張分量的變形特征。成都市距離震中約260km且震感明顯,本次地震余震豐富,影響范圍之廣、損失之重,為國內(nèi)近幾年同等震級地震所罕見(易桂喜等,2019)。

圖 1 景谷MS6.6地震前景谷臺連續(xù)波形資料(a)景谷臺震前2個月連續(xù)波形原始資料； (b)景谷臺震前5～10天(紅色)和震前2個月(藍(lán)色)的頻譜

圖2 長寧地震和地震臺分布紅色五星為震中； 藍(lán)色三角為地震臺

表1 參與研究的地震臺站

本文采用四川、云南、重慶和貴州的數(shù)字地震臺站連續(xù)波形記錄(圖2),選擇長寧地震震中500km范圍內(nèi)觀測環(huán)境較好的15個臺站進(jìn)行研究(表1)。四川、云南、重慶和貴州地震臺觀測環(huán)境穩(wěn)定,自2007年8月開始觀測,經(jīng)過“十五”數(shù)字化改造,已全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。臺站使用BBVS- 60、KS-2000等寬頻帶地震儀和CTS-1甚寬頻帶地震儀等觀測系統(tǒng),其具有靈敏度高、設(shè)備體積小、觀測結(jié)果穩(wěn)定等特點(diǎn),儀器采樣頻率為100Hz,分別包含東西、南北和垂直3個分量,垂直分量向上表示壓縮作用,向下表示膨脹作用。研究使用的地震波形連續(xù)記錄來源于國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(1)http://data.earthquake.cn。

3 分析方法

選擇震中距500km范圍內(nèi)的15個臺站進(jìn)行計(jì)算,下載這些臺站2019年4月20日至6月20日共2個月的數(shù)據(jù),去均值、去傾斜后,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣,由于本文關(guān)注的頻段在8×10-5～2×10-4Hz范圍內(nèi),關(guān)注的信號為長周期低頻信號,寬頻帶地震儀的采樣率過高,造成過采樣,增加了不必要的工作量,所以在進(jìn)行頻譜分析之前,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣,將采樣頻率從100Hz降至10Hz,既達(dá)到了信號的保真處理,也大大減少了處理的數(shù)據(jù)量。

利用傅里葉變換(FFT),將各個地震臺預(yù)處理之后的信號從時間域轉(zhuǎn)換到頻率域,在頻率域上對地殼振動信號進(jìn)行分析。對各個地震臺4月和5月的垂向記錄進(jìn)行傅里葉變換,得到的頻率譜作為背景譜,計(jì)算頻段8×10-5～2×10-4Hz信號成分的振幅譜,記為AMP1。將各個地震臺6月的垂向記錄均勻分割成小段,每個時段保存1天的波形記錄,傅里葉變換后,得到震前1個月每天的頻譜圖,分別計(jì)算每天頻段8×10-5～2×10-4Hz信號成分的振幅譜,記為AMP2。單臺記錄的長周期地殼振動信號的振幅比Ratio=AMP2/AMP1。振幅比大于1(小于1)表示振幅增強(qiáng)(衰減),將所有的觀測臺站每天的比值在空間上進(jìn)行插值計(jì)算,得到振幅比的空間分布圖。通過國內(nèi)外多個震例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,我們認(rèn)為,當(dāng)振幅譜比值超過1.2時出現(xiàn)地殼振動異常(Chen,et al 2020),即振幅譜的幅度比背景值增強(qiáng)了20%以上。

目前用于定位地脈動信號源的方法主要包括：波束法(Beamforming Method)、振幅法和單臺法(Polarization Method)等。隨著地震臺陣觀測技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)階段雖然可以較好地確定地震波信號的來源方向,但是這需要有較高密度的臺站分布作為基礎(chǔ)。本研究區(qū)臺站的平均距離為80km,為了保證在分布較稀疏的臺網(wǎng)分布下獲得較為準(zhǔn)確的定位結(jié)果,我們選擇了Tanimoto等(2006)提出的利用單臺的連續(xù)波形記錄確定地震信號源的方法,通過對多個臺站的單臺法定位結(jié)果進(jìn)行綜合分析,取得了較好的研究結(jié)果，由下式可知

(1)

圖3 地殼振動信號定位技術(shù)的示意圖黑色三角為示意臺站； 紅色重疊區(qū)域?yàn)槎ㄎ粎^(qū)域

式中,φ取值范圍0°～360°,為信號來源的潛在方向,N(ωi)和E(ωi)表示頻段在ωi的SN向和EW向采集的連續(xù)波形數(shù)據(jù)。利用傅里葉逆變換,對水平N向和E向觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu),得到頻段為8×10-5～2×10-4Hz的信號,將水平方向的2個信號投射到正交軸上,按照順時針0°～360°旋轉(zhuǎn)疊加,尋找最大振幅I對應(yīng)的方向,該方向就是該地震臺記錄的信號源的來源方向。考慮到計(jì)算過程中的誤差,以來源方向?yàn)橹行?構(gòu)造1個角度為30°、半徑為300km的扇形區(qū)域,至少3個臺站的重疊區(qū)域是與長周期地殼振動有關(guān)的震源潛在區(qū)域(圖3)。

4 結(jié)果與分析

4.1 地震前的低頻異常信號

距長寧地震震中最近的地震臺為高縣臺(HWS),其震中距為34km,本文以高縣臺為例介紹低頻異常信號的識別過程。選取高縣臺4月20日— 6月20日(即震前后2個月)的連續(xù)波形垂向記錄單獨(dú)進(jìn)行處理分析。重采樣去均值、去傾斜后,將垂向記錄均勻分割成小段,每個時段保存1天的波形記錄。傅里葉變換后,通過觀察傅里葉變換得到的垂直分向的連續(xù)波形頻率譜不難發(fā)現(xiàn),在長寧地震震前1周到震前一個月,即從5月1日到6月14日,高縣臺的頻譜在8×10-5～2×10-4Hz的頻段并未出現(xiàn)振幅明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象,通過式(1)計(jì)算的振幅比也表明,在這段時間內(nèi)振幅比均低于臨界值1.2,說明并未出現(xiàn)明顯的地震振動異常信號。而在長寧地震震前2天到震后2天,即6月15日到6月19日,8×10-5～2×10-4Hz的頻段出現(xiàn)明顯的振幅增強(qiáng)現(xiàn)象,振幅比也均超過了臨界值1.2,并在震后恢復(fù)到了臨界值1.2以下(圖4、表2)。通過對長寧地震震前后2個月內(nèi)高縣臺單臺連續(xù)記錄進(jìn)行分析可知,地震振動異常信號和地震有一定對應(yīng)關(guān)系,反映了斷層介質(zhì)在地震孕育過程中的變化特征。

圖4 長寧地震前高縣臺異常振幅比時間演化規(guī)律藍(lán)色虛線為閾值線； 紅色虛線表示長寧地震發(fā)震時間

表2 長寧地震前高縣臺各時段的比值

4.2 長寧地震地殼振動現(xiàn)象

基于四川、云南、重慶、貴州地震臺網(wǎng)的連續(xù)波形數(shù)據(jù),利用本文所述的地殼振動識別、定位技術(shù),對2019年6月17日四川長寧MS6.0地震進(jìn)行分析,得到了地震前一個月和后一個月的地殼振動異常變化,變化以1天的數(shù)據(jù)為計(jì)算單元。結(jié)果顯示,在4月26日和5月16日研究區(qū)內(nèi)有個別臺站出現(xiàn)地殼振動異常,6月上旬研究區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)明顯的特定頻段的振幅增強(qiáng)現(xiàn)象,自6月15日開始在川東南地區(qū)出現(xiàn)了明顯的振幅增強(qiáng)現(xiàn)象,異常持續(xù)到6月19日,主要集中分布在震源區(qū)附近,異常區(qū)域逐漸集中且特定頻度的振幅顯著增強(qiáng),這段時間的振幅與背景振幅相比增強(qiáng)了20%以上。長寧地震后,地殼振動異常區(qū)域逐漸減弱,并于震后基本消失,在時間和空間上與長寧地震均有很好的對應(yīng)關(guān)系(圖5)。

圖5 長寧地震前地震振動現(xiàn)象的時空演化色標(biāo)表示振幅譜的比值

4.3 長寧地震地殼振動定位結(jié)果

利用相同時段和相同臺站的連續(xù)波形數(shù)據(jù),對長寧地震前后的地殼振動現(xiàn)象進(jìn)行定位,觀察地震前后1個月的地殼振動定位區(qū)域,結(jié)果顯示：5月研究區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)3個以上臺站交匯的區(qū)域,15個臺站的信號源方向沒有顯著的規(guī)律性,從6月15日開始在研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了一些信號源相對集中的區(qū)域,信號源相對集中現(xiàn)象持續(xù)5天,6月19日基本消失,異常信號來源定位在長寧地震震中東北部30km附近地區(qū)。震前2天,定位區(qū)域出現(xiàn)在長寧源震區(qū)附近,表明該地區(qū)的斷層可能進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài),該現(xiàn)象一直持續(xù)到地震發(fā)生。長寧地震后,地殼振動異常現(xiàn)象逐漸減退并基本消失,未定位出顯著的信號來源區(qū)域(圖6)。

圖6 長寧地震前地震振動現(xiàn)象的定位結(jié)果色標(biāo)表示臺站的數(shù)量

通過統(tǒng)計(jì)圖6 中出現(xiàn)異常的臺站數(shù)量演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在長寧地震前2個月,異常臺站的數(shù)量主要在3～8個區(qū)間范圍內(nèi)波動(圖7、表3),異常臺站的數(shù)量總體偏低：在4月26日、31日和5月1日分別有8、7、6個臺站同時記錄到了異常信號,但是沒有明顯的定位區(qū)域,5月和6月上旬異常數(shù)量有所下降,之后異常臺站數(shù)目一直維持在較高數(shù)量,直到地震前2天達(dá)到最大值,有12個臺站同時出現(xiàn)地殼振動異常。自6月6日開始,一直持續(xù)到6月20日,異常臺站的數(shù)量維持在10個以上,說明在鄰近地震發(fā)生時,斷層發(fā)生穩(wěn)態(tài)變化,介質(zhì)承載的應(yīng)力積累逐漸達(dá)到臨界值,發(fā)生了振動現(xiàn)象。

圖7 長寧地震前異常臺站數(shù)量的時間演化規(guī)律紅色虛線表示長寧地震發(fā)震時間

表3 長寧地震前各時段異常臺站數(shù)量

5 討論

本文研究發(fā)現(xiàn),長寧地震前低頻信號源(8×10-5～2×10-4Hz)出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)現(xiàn)象,以往研究表明頻帶在0.3～0.05Hz的背景噪聲信號通常被稱為微震,頻帶范圍內(nèi)瑞利面波(Toks?Z et al，1968)的能量占主導(dǎo)部分,主要是由大氣與海水以及海水和地球之間的相互作用產(chǎn)生。Toks?Z等(1968)利用Montana臺陣的資料證明了微震的來源區(qū)域與大氣的低壓區(qū)域有關(guān),7s和14s的周期成分在頻譜中能量最強(qiáng),這些特征均與海洋重力波的頻譜類似。Stehly等(2006)分析了長時段平均噪聲互相關(guān)函數(shù)的能量與臺站方位角的對應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)噪聲源的分布與衛(wèi)星觀測到的海浪高度分布有較好的對應(yīng)性。在更長的周期20～300s,即頻帶范圍0.05～0.003Hz,背景噪聲通常被稱為地球的嗡嗡聲(earth hum),其頻譜特征與地球自由振蕩相似(Tanimoto et al，1998)。研究表明該頻段范圍內(nèi)的背景噪聲來源于低頻海洋重力波與固體地球的相互作用,在海洋的大浪區(qū)可以觀測到低頻背景噪聲的分布(Rhie et al，2004)。綜上所述,我們關(guān)注的低頻頻帶沒有顯著的環(huán)境和空間干擾源,有利于探索低頻頻帶信號與地震的關(guān)聯(lián)性。

這種振幅顯著增現(xiàn)象,可能與地震前的斷層失穩(wěn)有關(guān)。事實(shí)上,按照馬瑾等(2008,2014)的觀點(diǎn),地震是斷層快速錯動的結(jié)果,形成條件主要包括較高的斷層協(xié)同化程度和應(yīng)變釋放區(qū)的加速擴(kuò)展,在鄰近地震發(fā)生時,斷層發(fā)生失穩(wěn)態(tài)變化。Scholz等(1973)利用明確的數(shù)學(xué)公式描述了斷層失穩(wěn)加速的變化,但目前尚未明確觀測到這樣明顯的現(xiàn)象。Mogi(1984)發(fā)現(xiàn)日本東南海地震前2天,鄰近斷層的傾斜儀出現(xiàn)了失穩(wěn)態(tài)的加速運(yùn)動現(xiàn)象。而地震是由于地殼上的應(yīng)力積累超過震源區(qū)介質(zhì)承載能力而產(chǎn)生的,當(dāng)介質(zhì)承載的應(yīng)力積累接近臨界值時,可能發(fā)生振動現(xiàn)象,連續(xù)記錄的地震儀記錄到了地震前背景噪聲放大的現(xiàn)象(Kanamori et al，1974)。Zhao等(2010)通過巖石壓力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了由擠壓產(chǎn)生的地殼振動信號與振動頻率的關(guān)聯(lián)性。Walczak等(2017)通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)分析了巖石樣品對不同擾動的響應(yīng),結(jié)果表明預(yù)測材料是否產(chǎn)生破損是通過表面振動的臨界變化來判斷的。通過觀察地殼振動異常信號的定位結(jié)果發(fā)現(xiàn),在震前2天,定位區(qū)域出現(xiàn)在長寧地震源震區(qū)附近,表明該地區(qū)的斷層可能進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài),該現(xiàn)象一直持續(xù)到地震發(fā)生。長寧地震后,地殼振動異常現(xiàn)象逐漸減退,基本消失,未定位出顯著的信號來源區(qū)域。

本文觀測到的不是偶然現(xiàn)象,其他震例如2014年魯?shù)镸S6.5、景谷MS6.6和2018年通海MS5.0等地震前均觀測到了低頻信號增強(qiáng)現(xiàn)象(Chen,et al 2020),存在地殼振動是共性特征。長寧地震周邊出現(xiàn)異常的臺站最多時曾達(dá)到12個,略少于魯?shù)镸S6.5和景谷MS6.6地震前的異常臺站數(shù)量,而通海MS5.0地震前出現(xiàn)異常的臺站不超過3個。異常出現(xiàn)的時間集中在震前半個月,可能對地震短期至短臨預(yù)報(bào)具有重要的參考價(jià)值。

本文以長寧地震為例,在震前2個月川東南地區(qū)已經(jīng)有大量地震臺站記錄到了地殼振動異常,震后1個月異常臺站數(shù)量有所下降,在此期間沒有出現(xiàn)集中的定位區(qū)域,說明此時該地區(qū)發(fā)生6級以上強(qiáng)震的可能性不大,但存在發(fā)生5級地震的可能。其理由是：在沒有定位的情況下,臺站的異常是互不相關(guān)的,反映的僅是臺站局部的變化,本文研究區(qū)域的臺站的平均距離為80km,而1個5級地震產(chǎn)生的影響區(qū)域不足100km(Scholz等,1973),因而得出上述結(jié)論。而震前2天到震后2天的時段內(nèi),異常臺站數(shù)量一直維持在10個以上的高值范圍,并定位出顯著的信號源區(qū)域,說明此時異常的關(guān)聯(lián)尺度明顯增加,并達(dá)到了發(fā)生6級地震的尺度(Yin et al，2000)。

6 結(jié)論

本文研究發(fā)現(xiàn),長寧MS6.0地震前10天,距震中500km的地震波形記錄到明顯增強(qiáng)的低頻異常信號,通過頻譜分析,得出信號頻段為8×10-5～2×10-4Hz。利用單臺偏振法可以對該頻段信號進(jìn)行定位,震前2天出現(xiàn)異常來源的集中區(qū)域,其位置在未來震中附近。研究還發(fā)現(xiàn),低頻地殼振動信號的方向和振幅變化與長寧6.0級地震在時間和空間上均具有很強(qiáng)的相關(guān)性,推測這部分信號與地震前斷層加速失穩(wěn)有關(guān)。需要指出的是,本文提出的長寧地震前地殼振動異常并非偶然現(xiàn)象,事實(shí)上,我們在多個隨機(jī)選擇的6級地震前,如魯?shù)椤⒕肮鹊鹊卣鹁^測到明顯的異常,本文討論的地殼振動識別、定位方法具有合理的物理基礎(chǔ)和客觀的邏輯分析,從連續(xù)波形資料出發(fā),通過合理的預(yù)處理工作,保證了計(jì)算結(jié)果的有效性,未來更多的工作將針對信號產(chǎn)生的物理機(jī)理進(jìn)行深入探討。

致謝：感謝國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(http://data.earthquake.cn)為本文提供了連續(xù)波形資料以及審稿專家對本文提出的中肯的修改建議。